DE1421621A1

DE1421621A1 - Brennstoffelement

Info

Publication number: DE1421621A1
Application number: DE19621421621
Authority: DE
Inventors: Hilton Albert Ray
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1961-10-26
Filing date: 1962-10-25
Publication date: 1968-10-31
Also published as: GB1018186A; US3251718A; NL284769A

Description

Texas Instruments Incorporated
15500 !forth. Central Expressway-Dallas , Texas,USA

Brennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente und insbesondere auf Torratsbrennstoffelemente, bei denen El elctr oly tträgergef 1 echte oder Elektrolytträgernetze verwendet werden.

Im allgemeinen erfordern Brennstoffelemente eine Brennstoffelektrode und eine Elektrode für das Oxydationsmittel, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Ein Kohlenwasserstoffvorratsbrennstoffelement benötigt einen Brennstoff wie beispielsweise Methan, welches eine Elektrode und den Elektrolyten in einem Teil der Zelle gleichzeitig mit einem Oxydationsmittel wie beispielweise luft, berührt, welche eine zweite Elektrode berührt und den Elektrolyten im benachbarten Teil des Elementes. Der Elektrolyt muss den Brennstoff und die Brennstoffelektrode vom Oxydations-

Gei/sto 8 0 9 8 0 6/06 1 β mittel

mittel und der Elektrode für das Oxydationsmittel trennen, trotzdem aber die Elektroden chemisch miteinander verbinden. Eine derartige Anordnung erzeugt eine elektromotor!- sehe Kraft, die bewirkt, daß ein Strom zwischen den Elektroden über einen äußeren Kreis fliesst. -

Durch die Erfindung wird eine stromerzeugende Vorrichtung geschaffen, die eine extrem hohe Dichte von einzelnen Brennstoffelementen pro Volumeneinheit hat. Eine derartige Dichte wird durch die Verwendung dünner Gitter oder Siebe oder Netze oder Geflechte erreicht, welche perforierte Membranen oder andere Arten von Hetzen oder Geflechten sein können und welche für die Brennstoffelektrode, die Elektrode für das Oxydationsmittel und für den Elektrolytträger verwendet werden. Verschiedene Vorteile werden durch das Brennstoffelement gemäss der Erfindung erzielt, die bisher nicht erreicht werden konnten. Beispielweise vermindert das dünne ITetz oder das dünne Geflecht oder die perforierte Membran, die den Elektrolyten enthält, den inneren Widerstand des Elementes.. Die geringe Stärke dieser Teile erlaubt eine größere Brennstoffzeltendichte als bisher. Der feste mechanische Aufbau dieser Teile macht es besser möglich, die Trennung der Brennstoffseite des Elementes von der Seite des Oxydationsmittels aufrechtzuerhalten. Die Tatsache, daß diese Teile unter hoher Spannung angeordnet werden können, erhöht deren Widerstand gegen eine Verbiegung oder Verschiebung.

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Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle mit drei Netzen oder drei Geflechten zu schaffen, in welcher der geschmolzene Elektrolyt durch eine Oberflächenspannung im mittleren Netz der Drei-Hetzanordnung gehalten wird und wobei ein äußeres Hetz oder ein äußeres Geflecht als Brennstoffelektrode und das andere äußere Metz oder äußere Geflecht als Elektrode für das Oxydationsmittel arbeitet.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Brennstoffelement zu schaffen, welches als 11ektrolyttrager eine perforierte Membrane aufweist, in der der Elektrolyt innerhalb der Perforationen der Membrane durch eine Oberflächenspannung gehalten wird. *

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Brennstoffelement zu schaffen, welches ein dünnes Elektrolytträgergeflecht aufweist, wobei dieses Geflecht die Brenntstoffelektrode und die Elektrode für das Oxydationsmittel isolierend voneinander trennt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Brennstoffelement zu schaffen, welches einen Elektrolytträger aus einem isolierten Metallgeflecht aufweist, der innig auf gegenüberliegenden Seiten die leitenden Sieb- oder Geflechtelektroden berührt.

Ein

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Hochtemperaturbrennstoffelement zu schaffen, welches widerstandsfähig gegen Temperaturen ist und welches mechanisch fest ist und welches eine hohe elektrische Ausgangsleistung pro Einheit Elektroden-Oberfläche hat.

Andere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darstellt, die Erfindung nochmals erläutern soll.

Wie in der Zeichnung dargestellt, ist ein Gehäuse 6o vorgesehen, welches einen verschlossenen Endteil 43 aufweist. Dieser Endteil ist mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 6 und 6a ausgestattet, weiterhin weist dieser Endteil 43 einen elektrischen Anschluß 8 auf, der sich durch den Endteil hindurch erstreckt und der innerhalb eines Isolationskörpers 1o angeordnet ist. Mit dem inneren Ende des Anschlusses 8 ist ein flexibler Leiter 17 für einen noch zu beschreibenden Zweck verbunden. Das Gehäuse 6o wird, wenn alle Einrichtungen, wie später noch beschrieben werden soll, eingesetzt sind, an seinem offenen Ende mittels eines Endteiles 44 verschlossen, der wie der Endteil 43 mit Einlaß- und Auslaßöffnungen 5 und 5a und mit einem elektrischen Anschluß 7 versehen ist, der sich durch diesen Endteil hindurcherstreckt und der von einem Isolationsteil 9 gehalten wird.

Das

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— 5 -·

Das Gehäuse 60 kann aus irgendeinem geeigneten terial "bestehen, beispielsweise wird Metall bevorzugt und muß keine "besondere Form oder Größe aufweisen. Dieses Gehäuse kann deshalb die lorm eines quadratischen oder rechteckigen Kastens aufweisen, es kann zylindrisch ausgebildet sein oder irgendeine andere Gestalt haben. Zum Zwecke der Beschreibung s.ei jedoch angenommen, daß das Gehäuse eine zylindrische Form hat. Der Endteil 43 hat deshalb eine kreisförmige Form,an welchem durch eine Verschweissung 54. oder durch andere geeignete Mittel der Teil 45 befestigt ist, der eine innere kreisförmige Schulter 46 aufweist. Der Yerschlußteil 44 ist natürlich ebenfalls kreisförmig ausgebildet und weist die in der Zeichnung'dargestellte Form auf, sodaß dieser Endteil in das offene Ende des Teiles 45 passt.

Wenn das linke Ende des Gehäuses offen und das Innere des Gehäuses deshalb zugänglich ist, wird eine kreisförmig geformte Brennstoff-Sieb- oder Gitterelektrode 2 gegen die Schulter 46 eingesetzt. Diese Elektrode ist aus irgendeinem geeigneten metallischen Gewebe hoher Leitfähigkeit gefertigt, beispielsweise aus einem loo mesh Silbergewebe und ist mit einem Ring 53 aus einem Isolationsmaterial versehen, der an deren rechter Fläche in geeigneter Weise angeklebt ist. Dieser Ring weist eine Tiefe auf, die gleich der Breite der Schulter 46 ist, um

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die Elektrode vom Teil 45 elektrisch, zu isolieren. Weiterhin ist ein Leiteranschluss 5o "vorgesehen, der am Gritter der rechten Oberfläche des Netzes angelötet oder iii anderer geeigneter Weise leitend mit diesem Gitternetz verbunden ist. Dieser Anschluß 5o ist an einer Stelle vorgesehen, die vorzugsweise in !Flucht mit dem Anschluß 8 liegt. Es sei bemerkt, daß ehe die Brennstoffnetz- oder Gitterelektrode 2 in ihre Lage im Inneren des Gehäuses, wie oben beschrieben, eingebracht wird, der flexible Leiter 17 mit dem Anschluß 5o verbunden wird. Dieser Leiter wurde bereits mit dem inneren Ende des elektrischen Anschlusses 8 verbunden.

Gegen die Brennstoffelektrode 2 wird das kreisförmig geformte Elektrolytträgergitter oder Elektrolytträgernetz 1 gesetzt. Dieses Netz oder Gitter kann aus einem "Stahlge-

fleeht, beispielsweise, gefertigt sein, welches nach einem Flamm-Spritzverfahren mit Aluminiumoxyd überzogen ist, um dieses nichtleitend zu machen. Dieses Gitter ist dann in einen geeigneten geschmolzenen Elektrolyt eingetaucht worden, beispielsweise in Natrium-Lythium-Karbonat und in diesem Elektrolyten so lange gehalten worden, bis die Zwischenräume des Siebes oder des Gewebes gefüllt waren." Wegen der Dichte des Gewebes wird der geschmolzene Elektrolyt in die-· sen Zwischenräumen durch die Oberflächenspannung gehalten« Gegen die exponierte Oberfläche" des Siebträgera 1 für den Elektrolyten und in Kontakt mit dieser wird die Siebelek-

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trode 3 für das Oxydationsmittel eingesetzt. Diese Siebelektrode 3 für das Oxydationsmittel ist im wesentlichen in lOrm und Aufbau mit der Brennstoffsiebelektrode 2 identisch, mit der Ausnahme, daß der Hing 52 aus Isolationsmaterial, der dem Ring 53 an der Brennstoffelektrode 2 entspricht, auf die linke Oberfläche des Siebes 3 statt auf die rechte Oberfläche wie beim Sieb 2 aufgeklebt ist. Uachdem die Siebelektrode 3 für das Oxydationsmittel in ihre Lage gebracht ist, oder vorher, wird der flexible Leiter 18 mit einem Anschluß 51 und dem inneren Ende des Anschlusses 7 verbunden. Es ist freigestellt, ob, wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel, Federn 22 und 23 vorgesehen sind. Beim Ausführungsbeispiel sind Federn 22 und 23 vorgesehen, die gegenüber dem Gehäuse durch Isolationsstücke 3o und 31 isoliert sind und die einen innigen Kontakt der G-itter 2 und 3 mit dem Gitter 1 aufrechterhalten.

Wegen der aus der Zeichnung ersichtlichen Symmetrie der Einrichtung ist es klar, daß die Brennstoffelektrode 2 und die Elektrode 3 für das Oxydationsmittel ausgetauscht werden ' können. Jede kann entweder als Brennstoffelektrode oder als. Elektrode für das Oxydationsmittel arbeiten. DieⁿSandwich^w-3?orm der beiden Elektroden 2 und 3 mit der Elektrolytelek- ■ trode 1 in der Mitte wird durch einen Haltering 4 in ihrer Stellung gehalten. Dieser Haltering 4 liegt dicht gegen den Isolationsring 52 der Elektrode 3 für das Oxydationsmittel an. Das Gehäuse 6o wird dann mit der Platte 44 verschlossen,

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welche

welche mit dem Ende des Gehäuses durch eine Verschweissung 15 oder durch andere geeignete Mittel dicht verbunden wird.

Palis gewünscht,· können die G-itter 1, 2 und 3 straff gespannt und in einem Rahmen befestigt .werden. Ein derartiger Aufbau bringt für sehr dünne Gitter oder Siebe gute mechanische Festigkeiten mit sich, wodurch die Probleme behoben werden, die auftreten, wenn poröse keramische Scheiben verwendet werden. . ·

Um die chemische Operation der Brennstoffzelle auszuführen, dient das Sieb 1 als Träger des geschmolzenen Elektrolysen. Der geschmolzene Elektrolyt wird in den Zwischenräumen des Elektrolytträgers des Siebes 1 durch Oberflächenspannung gehalten. Die Siebe 2 und 3 werden als Brennstoffelektrode und als Elektrode für das Oxydationsmittel verwendet. Wie bereits ausgeführt, kann jjedoch jede Elektrode als Brennstoffelektrode oder als Elektrode für das Oxydationsmittel dienen.

Im Betrieb wird Brennstoff,beispielsweise Erdgas, durch die Einlaßöffnung 6 zugeleitet und fliesst in die Zwischenräume des Siebes 2 und berührt den Elektrolyten,der durch die -» Oberflächenspannung innerhalb der Zwischenräume des Elektrolytträgers oder -netzes 1 gehalten wird. Der Brennstoff berührt den Elektrolyten und die Brennstoff elektrode 2 und ruft eine chemische Reaktion hervor. Der verbrauchte Äenn-

stoff 809806/0618

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stoff kann durch die Auslaßöffnung 6a ausströmen. Gleichzeitig mit der Reaktion an der Brennstoffelektrode 2 findet eine andere Reaktion an der Elektrode 3 für das Oxydationsmittel statt. Das Oxydationsmittel, beispielsweise Luft und COp, wird durch den Einlaß 5 zugeleitet und strömt in die Elektrode oder das-Gitter 3 für das Oxydationsmittel und berührt den Elektrolyten, der im Netz oder Gitter 1 enthalten ist. Das verbrauchte Oxydationsmittel kann durch die Auslaßöffnung 5a ausströmen. Es sei bemerkt, daß, da das Gitter 1,verglichen mit einer keramischen. Scheibe, eine hohe mechanische Festigkeit hat, dieses sehr dünn sein kann, beispielsweise 2o mils oder weniger. Der Elektrolytträger 1 und die Elektroden 2 und 3 können Metallgitter oder Metallgeflechte sein. Torzugsweise weist das Gitter 1 einen höheren spezifischen Widerstand auf. Wenn das Gitter oder der Schirm oder der Elektrolytträger 1 aus Metall besteht, ist es selbstverständlich erforderlich, daß dieser Elektrolytträger isoliert ist. Dies kann leicht dadurch erfolgen, daß ein sehr dünner keramischer ffilm durch ein 3?lammensprühverfahren auf diesen Träger aufgetragen wird.

Es sei bemerkt, daß das Gitter oder das Geflecht 1, welches als Elektrolytträger ,dient, sehr leicht herstellbar und anwendbar ist und daß lediglich eine geringe Zubereitung vor der Verwendung als Elektrolytträger erforderlich ist. Weiterhin können dünne Gitter oder Geflechte, die leicht erhältlich sind, in einfacher Weise und schnell.vorbereitet

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werden, um als Elektrolytträger zu dienen. Zur einfachen Vorbereitung ist es beispielsweise erforderlich, mittels eines Slammensprülrverfahrens einen keramischen Film auf diesem Geflecht aufzutragen, wonach dieses Geflecht oder ' G-itter in den geschmolzenen Elektrolyten eingetaucht wird. Im Hinblick auf ihre leichte Anwendbarkeit können, diese G-itter oder Geflechte leicht in ein Brennstoffelement eingebaut werden.

Im nachstehenden werden zwei Beispiele von Brennstoffelementen, die gemäss der Erfindung gefertigt sind, angegeben.

Beispiel I

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel war bei einer Ausführungsform in folgender Weise aufgebaut. Das G-itter 1 war ein 4-0 mesh Drahtgeflecht, welches nach einem Plammensprühverfahren mit Aluminiumoxyd überzogen wurde, um dieses nichtleitend zu machen. Dieses Geflecht wurde in einen geschmolzenen Natrium-Lithium-Karbonat-Elektrolyten eingetaucht, welcher die Maschen oder Zwischenräume des Geflechtes füllte, welcher in dem Geflecht durch Oberflächenspannung gehalten wurde. Die Brennstoffelektrode 2 und die Elektrode für das Oxydationsmittel wurden aus einem 1oo mesh Silbergeflecht gefertigt. Silberleitungsdrähte 17 und 18 wurden durch eine Schmelzschweissung an dem Silbergeflecht oder an den

leitenden , 809806/0618

leitenden , perforierten Membranen 2 und 5 befestigt. Die ledern 22 und 2j5testanden aus Ineonel X-Metall und die Isolatoren 3o und 31 waren aus Glimmer gefertigt. Dieses EIe-' ment war für einen Betrieb bei'hohen Temperaturen bestimmt und wurde bei 6oo°C betrieben. Als Brennstoff wurde Wasserstoff verwendet und als Oxydationsmittel Kohlendioxyd und Luft. Es wurde eine Leerlaufspannung von o,85 Volt erzielt und das Element erzeugte etwa 12 Milliwatt.

B e i s ρ i e 1 II

In einem anderen Brennstoffelement gleicher Bauart wie das oben beschriebene bestand die Brennstoffelektrode 2 aus Silber mit einem Nickeloxydüberzug und der Leitungsdraht 18 von der Brennstoffelektrode bestand aus Platin. Lithiumkarbonat und Natriumkarbonat wurden als Elektrolyt verwendet. Anstelle von Inconel X-ledern wurde silberplattierte Stahlwolle als Füll- und Andruckmaterial verwendet, um die Brennstoffelektrode 2 und die Elektrode 3 für das Oxydationsmittel gegen das Trägergeflecht 1 des Elektrolyten zu halten. Eine Glimmerisolation wurde innerhalb des gesamten Körpers des Elementes vorgesehen, um einen elektrischen Kurzschluß durch das Stahlwollematerial zu verhindern. Die Elektrode 3 für das Oxydationsmittel war wiederum ein S über geflecht, jedoch war der Leitungsdraht 17 aus Platin gefertigt. Als Brennstoff wurde wieder

Wasserstoff

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Wasserstoff verwendet, während Luft und GOp als Oxydationsmittel verwendet wurden. Das Element wurde "bei einer Temperatur von 625 0 "betrieben und wies einen inneren Widerstand von weniger als o,2 Ohm auf (eine geringere Ablesung konnte mit dem verwendeten Meßgerät nicht erzielt werden). Es wird jedoch angenommen, daß der tatsächliche Widerstand weniger als o,1 Ohm war. Die Leerlaufspannung war annähernd 1 Volt, sobald das Wasserstoff brennstoff gas und das gasförmige Luft-Kohlendioxyd-Oxydationsmittel in das Element eingeführt waren. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs war 3o canpro Minute und die Luftströmung betrug 1oo ecm pro Minute, während die Strömung des GOp 6o ecm pro Minute betrug. Die Leistungsabgabe betrug o,25o Watt.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Stahlgeflecht oder einen Stahlschirm verwendet, der eine mit einem Elammensprühverfahren aufgetragene Aluminiumoxydbeschichtung aufweist, können andere geeignete Geflechte oder Schirme verwendet werden, beispielsweise eloxiertes Aluminium, welches die gewünschten mechanischen Festigkeiten hat und welches den Elektrolyten durch eine Oberflächenspannung hält. Das für das Sieb oder das Geflecht ausgewählte spezielle Material hängt natürlich von der gewünschten Betriebstemperatur und von dem Vermögen des Materials ab, chemischen Angriffen des verwendeten spezifischen Elektrolyten zu widerstehen. Statt ein

einzelnes 809806/0618

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einzelnes Brennstoffelement wie beschrieben, zu verwenden, ist es leicht möglich., eine enge Packung von Brennstoffelementen herzustellen,' um die Ausgangsleistung zu erhöhen und um dennoch eine kleine kompakte Brennstoffelementbaueinheit zu erhalten.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffelementes beschrieben wurde, ist es möglich , Abänderungen und Veränderungen durchzuführen, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Pat entans prüche

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Claims

U21621 -u-

Patentansorüchei

/1J Brennstoffelement, welche· «inen Elektrolyten aufweist, der eine ftrennatoffelektrode und eine Elektrode für da· Oxydationsmittel trennt, gekennselohnet duroh «inen nets- oder gefleohtartigen Träger für den Elektrolyten, der die Brenn stoff elektrode und die Elektrode für das Oxydationsmittel voneinander trennt·
2. Brennstoff element, gekexmieiefenet duroh einen nets- oder gefleohtartigen Träger für den tlektrolytea, ein· Xets- oder Oeflecht-Brennstoffelektrode, und «in· lets- oder Gefleehtelektrode für das Oxydationsmittel, wobei dl· Brennstoff elektrode und dl· Elektrode für das Oxydatlonamittel unmittelbar einander gegenüberliegend« Oberflächen de· Elektrolytträger» berühren und wobei der Elektrolytträger einen von dleeem gehaltenen Elektrolyten aufnimmt·
3. Brennstoffelement mit einem Elektrolyt träger, der die Brennstoffelektrode und dl· Elektrode für das Oxydation»·» aittel trennt« dadurch gekennzeichnet, dad der Kiektrolyttrager ein Het* oder ein Geflecht ist, der elektrisch, isolierend die Brennstoffelektrod· und die Elektrode für da· Oxydationsmittel τoneinander trennt, wobei da» Mets oder das Geflecht eines von dleeem gehaltenen Elektrolyten aufweist.
4. Brenne toff element mit einer Brenn stoff elektrode und einer

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Elektrode ftir da» Oxydationsmittel, die in innigem Kontakt mit einem x.lektrolytträger stehen, gekennzeichnet durch ein Üektrolytträgernet« oder ein Elektrolytträger» geflecht* welches einen .Elektrolyten durch eine Oberflächenspannung hält·

5· Brennetoffelement nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dal* dae JElektrolyttriigernetB eine perforierte ,Membran ist·

6· Brennstoffelement nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daü das ilektrolytträgeraets eine metallische, perforierte Membran ist» die eine elektrisch nicht leitfnde Beschichtung hat.

7- Brennstoffelement mit einer Brennetoffelektrode und einer Elektrode ftlr ein Oxydeitionenittel, welche in innigea Kontakt alt einem ^Lektrolytträger et«h#n, gekennseiehnet durch ein straff gespannte· Ketm oder ein etraffgeepanntes Geflecht, ttelohea ale Elektrolyt träger dient, wobei der ilektrolytträger einen Elektrolyten aufnissmt und diesen durch eine Oberflächenspannung hält·

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